La línea de investigación de electrolitos poliméricos ha descubierto una nueva estrategia para reducir la movilidad de aniones en óxido de polietileno, empleando para ello aniones funcionalizados con grupos éter. Este logro podría habilitar todo el potencial de los electrolitos poliméricos sólidos para su uso en baterías más seguras y de mayor densidad energética que las baterías de ion litio actuales.

Las baterías recargables son la clave para superar la dependencia por los combustibles fósiles. Las baterías de ion litio que se utilizan actualmente, utilizan electrolitos líquidos y ánodos grafíticos de intercalación.

Sin embargo, dichos componentes limitan el rendimiento de estas baterías para aplicaciones cada vez más exigentes. Por un lado, los electrolitos líquidos a base de carbonatos son inflamables y pueden padecer fugas (lo cual los hace inseguros). Por otra, los ánodos de grafito no tienen suficiente capacidad, y esto limita su uso en aplicaciones de alta energía.

Es por ello, que la búsqueda de nuevos materiales para baterías es un campo de investigación muy activo.

Los electrolitos poliméricos sólidos, formados por una sal de litio y una matriz elástica de polímero, se consideran una alternativa viable a los electrolitos líquidos. Además, estos conductores de litio de estado sólido tienen características muy deseables de cara a su fabricación a gran escala.

En primer lugar, son fácilmente moldeables, lo cual posibilita su adecuada manufactura en geometrías inaccesibles para materiales convencionales. En segundo lugar, ofrecen la facilidad de procesado inherente a los materiales plásticos. Por último, su fabricación suele suponer un coste bajo, lo cual permite su aplicación comercial.

Además, los electrolitos poliméricos sólidos son menos reactivos en contacto con Li metálico que los electrolitos líquidos. Esta característica posibilita la utilización de litio metálico como ánodo de alta densidad energética. De hecho, el litio metálico es un ánodo ideal, dada su extremadamente alta capacidad específica, baja densidad y su bajo potencial electroquímico.

Por todo ello, los electrolitos poliméricos sólidos ofrecen la posibilidad de superar las limitaciones tanto de seguridad como de densidad energética de las baterías de ion litio.

Los electrolitos poliméricos sólidos fueron propuestos por primera vez por Michel Armand en 1978 dentro del concepto de baterías de litio metal de estado sólido. Desde entonces, estos materiales han sido estudiados en profundidad, y ya se han aplicado en la industria de la automoción.

De hecho, los vehículos eléctricos Bolloré Bluecar® y Bluebus® han sido introducidos como vehículos de servicio público en ciudades como París, Indianapolis o Singapur. Esto representa un claro ejemplo de la viabilidad de esta tecnología.

No obstante, es necesario resolver algunos problemas fundamentales antes de poder sacarle todo su potencial a los electrolitos poliméricos sólidos. En particular, estos materiales tienen baja eficiencia de carga durante el ciclado. Además, la formación incontrolada de dendritas de litio a temperatura ambiente resulta peligroso a nivel práctico. Esto conlleva tiempos de vida cortos, fallos abruptos, y problemas de seguridad de las baterías, todo lo cual dificulta su comercialización.

Una forma de solucionar estos problemas es minimizar la movilidad de las especies aniónicas en la matriz polimérica. Esto reduce los gradientes de concentración que aparecen en el proceso de carga y descarga de la batería, evitando la reducción de aniones en la cercanía del metal de litio, y con ello la formación de dendritas.

En los últimos años, se han propuesto diferentes métodos para disminuir la movilidad aniónica. No obstante, se ha visto que todos estos métodos comportan una serie de limitaciones prácticas.

Por ejemplo, la baja movilidad aniónica normalmente se consigue a expensas de reducir también la conductividad tota. Esto se debe a una menor movilidad de las cadenas poliméricas debido a la presencia los agentes rígidos utilizados para adherirse a los aniones. Como alternativa, otros métodos proponen arduos tratamientos químicos de los polímeros o partículas inorgánicas para fijar al anión, lo cual disminuye significativamente su procesabilidad.

La modificación estructural de los propios aniones  es también una forma viable de modular las propiedades de los electrolitos poliméricos. Siguiendo esta estrategia, la línea de investigación de electrolitos poliméricos de CIC energiGUNE ha descubierto  una nueva manera de fijar las cargas negativas en electrolitos poliméricos sólidos, utilizando  aniones funcionalizados con grupos éter (EFA, por sus siglas en inglés), que le confieren al anión un forma similar a la de una rana de largas patas.

La Bis(trifluoromethanesulfonyl)imida (TFSI), es un anión muy móvil en óxido de polietileno (PEO), una matriz polimérica ampliamente utilizada durante las últimas cuatro décadas. En cambio, las “patas” éter del  anión EFA pueden interaccionar de forma atractiva con el PEO, como se ilustra en la contraportada del número 35 del volumen  58 de Angewandte Chemie International Edition. Esto hace  que disminuya considerablemente la movilidad aniónica, sin reducir de forma significativa la conductividad de los iones litio.

Este transporte selectivo de iones de litio posibilita un ciclado estable al usar un ánodo de Li metal. Esto se ha logrado demostrar en una batería Li || LiFePO4.

Además, desde el punto de vista de la fabricación, el electrolito polimérico sólido EFA-PEO tiene una buena estabilidad térmica, y se espera que muestre facilidad de procesado.

En definitiva, estos hallazgos son de gran importancia de cara al desarrollo de baterías de litio en estado sólido, ofreciendo una estrategia eficiente y escalable para conseguir electrolitos poliméricos sólidos con alta conductividad de iones de litio y baja movilidad aniónica.

Autor: Javier Carrasco, Jefe del grupo de investigación Modelizado y Simulación Computacional de CIC energiGUNE